大學(xué)物理課件-磁場對載流導(dǎo)線的作用

磁場對載流導(dǎo)線的作用本章將探討磁場對載流導(dǎo)線的力學(xué)作用，以及相關(guān)的物理定律和應(yīng)用。by什么是磁場？指南針指南針是磁場最早的應(yīng)用之一。磁鐵磁鐵會(huì)吸引鐵質(zhì)物體，說明磁鐵周圍存在磁場。地球磁場地球本身就是一個(gè)巨大的磁體，擁有自己的磁場。磁場的基本特性無形磁場是一種看不見摸不著的物理現(xiàn)象。它通過磁力對其他物體產(chǎn)生影響，如磁鐵或載流導(dǎo)體。有方向磁場有方向，通常用磁感應(yīng)線表示。磁感應(yīng)線從磁體的北極出發(fā)，指向南極。磁感應(yīng)線的方向代表磁場的方向?？莎B加多個(gè)磁場可以疊加在一起，形成一個(gè)新的磁場。疊加后的磁場方向和大小取決于各個(gè)磁場的方向和大小。磁場的表示方式磁場可以用以下兩種方式表示：磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量磁感應(yīng)線磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量是一個(gè)向量，它的大小表示磁場的強(qiáng)度，方向表示磁場的方向。磁感應(yīng)線是一組曲線，它們的方向在每一點(diǎn)都與磁場的方向一致。磁感應(yīng)線的疏密程度反映了磁場的強(qiáng)弱。磁感應(yīng)強(qiáng)度的定義定義磁感應(yīng)強(qiáng)度是用來描述磁場強(qiáng)弱程度的物理量，表示磁場對放入其中的磁體或載流導(dǎo)體所施加作用力的強(qiáng)弱程度。單位磁感應(yīng)強(qiáng)度的單位為特斯拉(T)，1T=1N/A·m。磁感應(yīng)強(qiáng)度的計(jì)算1安培定律利用安培定律計(jì)算閉合回路上的磁感應(yīng)強(qiáng)度積分2畢奧-薩伐爾定律計(jì)算電流元產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度3疊加原理將電流元產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度疊加起來磁感應(yīng)強(qiáng)度可以利用安培定律、畢奧-薩伐爾定律和疊加原理來計(jì)算，這些定律是計(jì)算磁場的基礎(chǔ)，也是理解磁場的重要理論。磁感應(yīng)線的概念磁場方向磁感應(yīng)線方向代表了磁場方向。磁場強(qiáng)弱磁感應(yīng)線密度表示了磁場強(qiáng)弱，密度越大，磁場越強(qiáng)。閉合曲線磁感應(yīng)線是閉合曲線，從磁體的N極出發(fā)，回到磁體的S極。磁感應(yīng)線的特點(diǎn)方向磁感應(yīng)線的方向表示磁場的方向，即小磁針在該點(diǎn)靜止時(shí)N極所指的方向。不閉合磁感應(yīng)線不是封閉曲線，它們從磁體的N極出發(fā)，終止于S極。不相交在同一空間中，磁感應(yīng)線不會(huì)相交，因?yàn)榇艌鲈谀骋稽c(diǎn)只有一個(gè)方向。疏密磁感應(yīng)線的疏密反映了磁場的強(qiáng)弱，磁感應(yīng)線密集的地方磁場較強(qiáng)，稀疏的地方磁場較弱。電流對磁場的作用1磁場力電流產(chǎn)生的磁場會(huì)與外部磁場相互作用。2磁力線磁場力的方向垂直于電流方向和磁場方向。3安培力電流對磁場的作用力被稱為安培力。安培環(huán)路定律電流產(chǎn)生磁場電流會(huì)產(chǎn)生磁場，磁場的方向由右手螺旋定則決定。環(huán)路積分沿著閉合回路繞磁場方向積分，等于該回路所包圍電流的代數(shù)和。導(dǎo)線中通電產(chǎn)生的磁場當(dāng)電流通過導(dǎo)線時(shí)，導(dǎo)線周圍會(huì)產(chǎn)生磁場。磁場的方向可以用右手螺旋定則來確定：將右手握住導(dǎo)線，大拇指指向電流方向，則四指指向磁場方向。洛倫茲力的概念磁場對運(yùn)動(dòng)電荷的作用力洛倫茲力是磁場對運(yùn)動(dòng)電荷的作用力，它的大小與電荷的電量、速度的大小和磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比，方向由左手定則決定。洛倫茲力公式F=qvBsinθ，其中F為洛倫茲力，q為電荷量，v為電荷的速度，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，θ為速度方向和磁場方向之間的夾角。洛倫茲力的作用方向1左手定則伸開左手，使磁感線穿入掌心，四指指向電流方向，則拇指所指方向即為洛倫茲力的方向。2右手定則伸開右手，使磁感線穿入掌心，四指指向電流方向，則拇指所指方向即為洛倫茲力的方向。3右手螺旋定則用右手握住導(dǎo)線，使四指指向電流方向，則大拇指所指方向即為磁場方向。載流導(dǎo)線在磁場中的受力分析1磁場力的方向由左手定則判斷，伸開左手，使磁感線穿過手心，四指指向電流方向，則拇指所指的方向即為磁場力方向。2磁場力的大小磁場力的大小與磁感應(yīng)強(qiáng)度、電流大小、導(dǎo)線長度成正比，與導(dǎo)線與磁場方向的夾角的正弦成正比。3受力分析根據(jù)磁場力的方向和大小，可以分析出導(dǎo)線在磁場中所受的合力，并判斷導(dǎo)線的運(yùn)動(dòng)趨勢。載流導(dǎo)線在磁場中的平衡條件1合力為零當(dāng)載流導(dǎo)線受到的磁場力和重力大小相等，方向相反時(shí)，導(dǎo)線處于平衡狀態(tài)。2力矩為零當(dāng)載流導(dǎo)線受到的磁場力和重力產(chǎn)生的力矩大小相等，方向相反時(shí)，導(dǎo)線處于平衡狀態(tài)。3穩(wěn)定性平衡狀態(tài)可以是穩(wěn)定的，也可以是不穩(wěn)定的。穩(wěn)定的平衡狀態(tài)是指當(dāng)導(dǎo)線偏離平衡位置后，會(huì)自動(dòng)恢復(fù)到平衡位置。直流電動(dòng)機(jī)的工作原理磁場電動(dòng)機(jī)內(nèi)部有固定磁場。線圈通電線圈放在磁場中，會(huì)受到力的作用。旋轉(zhuǎn)線圈旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出機(jī)械能。交流電動(dòng)機(jī)的工作原理1旋轉(zhuǎn)磁場交流電通過定子繞組，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，該磁場會(huì)與轉(zhuǎn)子上的磁場相互作用。2轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子上的磁場受到定子旋轉(zhuǎn)磁場的吸引，使其轉(zhuǎn)動(dòng)。3能量轉(zhuǎn)換交流電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)工作。發(fā)電機(jī)的工作原理磁場發(fā)電機(jī)使用一個(gè)強(qiáng)大的磁場來產(chǎn)生電力。線圈一個(gè)導(dǎo)體線圈在磁場中旋轉(zhuǎn)。感應(yīng)電流線圈的運(yùn)動(dòng)在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流。輸出電力感應(yīng)電流通過外部電路，產(chǎn)生電力。電磁感應(yīng)的概念變化的磁場當(dāng)穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化時(shí)，閉合電路中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。感應(yīng)電流感應(yīng)電流的方向由楞次定律決定，它總是阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量變化。感應(yīng)電動(dòng)勢感應(yīng)電流產(chǎn)生的原因是電路中產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢，它的數(shù)值與磁通量變化率成正比。法拉第電磁感應(yīng)定律磁通量變化當(dāng)穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化時(shí)，電路中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。感應(yīng)電動(dòng)勢感應(yīng)電流產(chǎn)生的原因是感應(yīng)電動(dòng)勢，其大小與磁通量變化率成正比。方向感應(yīng)電流的方向由楞次定律決定，即感應(yīng)電流的方向總是阻礙引起它產(chǎn)生的磁通量變化。自感與互感的概念自感當(dāng)電路中的電流發(fā)生變化時(shí)，電路本身會(huì)產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢，這個(gè)現(xiàn)象稱為自感?；ジ挟?dāng)兩個(gè)線圈相互靠近時(shí)，其中一個(gè)線圈中的電流變化會(huì)在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，這種現(xiàn)象稱為互感。自感與互感的應(yīng)用自感在電子電路中廣泛應(yīng)用于各種電感器，例如濾波器、振蕩器、延遲線等?；ジ袆t是變壓器工作原理的基礎(chǔ)，變壓器可以改變交流電壓，在電力傳輸中發(fā)揮重要作用。自感和互感也應(yīng)用于無線電傳輸中，例如天線、無線電接收器等。變壓器的工作原理1電磁感應(yīng)利用電磁感應(yīng)原理將交流電從一個(gè)電路傳遞到另一個(gè)電路。2磁芯鐵芯或鐵氧體材料，用于增強(qiáng)磁場。3線圈繞在磁芯上的線圈，用于產(chǎn)生和感應(yīng)磁場。變壓器利用電磁感應(yīng)原理改變交流電的電壓和電流。通過改變線圈的匝數(shù)，可以改變感應(yīng)電壓的大小。變壓器由兩個(gè)線圈繞在一個(gè)共同的磁芯上，一個(gè)線圈稱為原線圈，另一個(gè)線圈稱為副線圈。當(dāng)交流電通過原線圈時(shí)，會(huì)產(chǎn)生變化的磁場，這個(gè)磁場會(huì)穿過副線圈，并在副線圈中感應(yīng)出交流電。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，感應(yīng)電壓的大小與線圈的匝數(shù)成正比，也就是說，副線圈的匝數(shù)越多，感應(yīng)電壓就越高。變壓器的效率分析100100%理論上9090%實(shí)際中電磁鐵的工作原理1電流產(chǎn)生磁場當(dāng)電流流過導(dǎo)線時(shí)，會(huì)產(chǎn)生磁場。2磁場集中通過將導(dǎo)線繞成線圈，可以將磁場集中在中心區(qū)域。3鐵芯增強(qiáng)磁場在中心區(qū)域放置鐵芯，可以極大地增強(qiáng)磁場強(qiáng)度。電磁鐵的應(yīng)用1電機(jī)電磁鐵是電機(jī)中不可或缺的一部分，它們用于產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。2揚(yáng)聲器揚(yáng)聲器中的電磁鐵可以將音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為振動(dòng)，從而發(fā)出聲音。3磁懸浮列車磁懸浮列車?yán)秒姶盆F產(chǎn)生強(qiáng)大的磁力，使列車懸浮在軌道上方，從而實(shí)現(xiàn)高速行駛。磁性材料的種類鐵磁材料鐵磁材料具有很強(qiáng)的磁性，例如鐵、鈷、鎳等。亞鐵磁材料亞鐵磁材料的磁性比鐵磁材料弱，例如磁鐵礦。順磁材料順磁材料在磁場中會(huì)被弱磁化，例如鋁、鉑等?？勾挪牧峡勾挪牧显诖艌鲋袝?huì)被弱磁化，但磁化方向與外磁場方向相反，例如水、銅等。磁性材料的性能磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率是衡量材料導(dǎo)磁能力的指標(biāo)，反映了磁性材料對磁場的敏感程度。飽和磁化強(qiáng)度飽和磁化強(qiáng)度是材料被磁化到最大程度時(shí)所能達(dá)到的磁化強(qiáng)度。矯頑力矯頑力是指將磁化后的材料恢復(fù)到零磁化狀態(tài)所需的磁場強(qiáng)度，反映了材料保持磁化狀態(tài)的能力。磁性材料的應(yīng)用電子設(shè)備磁